在计算机断层造影仪中的误差识别

摘要

本发明涉及一种用于在计算机断层造影仪（1）中进行误差识别的方法，所述计算机断层造影仪包括具有旋转阳极（10）的X射线管（2）以及至少一行探测器（3），其中借助所述计算机断层造影仪（1）进行测试测量，在所述测试测量的过程中，时间分辨地采集至少一个探测器行（13a，13b）中的照射强度（B）。按照本方法确定在旋转阳极频率（fA）和/或该频率（fA）的整数倍的情况下所采集的照射强度（B）的至少一个光谱选择性的波动（Fx）。从光谱选择性的波动（FF）导出对于X射线管（2）的板冲击强度的度量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于在计算机断层造影仪中进行误差识别的方法，特别是 用于识别计算机断层造影仪的有缺陷的X射线管。本发明还涉及一种装备用于自 动误差识别的计算机断层造影仪。

背景技术

计算机断层造影仪通常被构造为具有高功率的X射线管。为了避免阳极材 料的过热，这样的X射线管通常包括所谓的旋转阳极，其中将阳极材料相对于产 生射线的电子束旋转。在这样的X射线管中频繁出现的干扰效应是所谓的“板冲 击（Tellerschlag）”。在此一般指通过阳极旋转引起的、X射线焦点相对于X射线 管的固定的壳体的周期性的位移。板冲击特别可以通过不平衡和由此引起的旋 转阳极的摇摆运动引起。板冲击的其他原因可以是旋转阳极的轴向运动以及阳 极表面的不规则性。板冲击是X射线管的典型的老化现象。由此其通常随着X射 线管的使用时间增加而以上升的程度出现。

独立于各个技术上的原因，在计算机断层造影仪中采用的X射线管的板冲 击定期地导致CT图像质量变差，特别是因为，由于板冲击，为重建计算机断层 图而拍摄的投影图像是从（相对于图像轴的）不同位移的焦点被拍摄的。

然而除了板冲击，还存在对于图像质量的确定的损害的其他误差原因。由 此不容易确定，变差的图像质量是否归因于板冲击或是归因于其他原因。

通常地，在这种情况下按照“试错法（Try-and-Error方法）”进行误差识别， 方法是，将具有变差的图像质量的X射线管“凭怀疑”进行更换。

只要图像质量通过更换X射线管得到改善，则在后面可以识别X射线管的板 冲击作为误差原因。但是如果图像质量通过更换X射线管不能得到改善，则必须 寻找其他误差原因。X射线管的更换在此是无益的并且是不必要的。通过过早地 更换X射线管在某些情况下会产生在计算机断层造影仪的运行中的并非不大的 更高成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提出一种用于在计算机断层造影仪中进行误 差识别的改进的方法。特别地，在此应该避免不必要地更换X射线管。

在包括了具有旋转阳极的X射线管以及至少一行的、优选多行的探测器的 计算机断层造影仪中，进行测试测量，其中在测试测量过程中，时间分辨地采 集在探测器行或至少一个或多个探测器行中的照射强度。测试测量特别是空测 量，其中借助X射线管直接地，也就是在计算机断层造影仪的射线路径中没有布 置透射对象的情况下照射计算机断层造影仪的探测器。然而测试测量原则上（在 接受较小的测量精度的情况下）在存在透射对象、特别是具有均匀的射线横截 面的测试模体的情况下也能执行。

从采集的照射强度的时间曲线中按照本方法确定在旋转阳极频率和/或该 频率的整数倍的情况下光谱选择性的波动。“光谱选择性的波动”在此是照射强 度的（在预先给出的模糊之内）周期性地随着旋转阳极频率或该频率的整数倍 变化的部分。为简化起见，以下将相应的频率（对于所述频率确定光谱选择性 的波动，也就是旋转阳极频率或该频率的整数倍）一般称为“测试频率”。

根据采集的频率选择性的波动，导出对于板冲击强度的度量。该度量可以 直接是频率选择性的波动的绝对值。优选地，根据频率选择性的波动，导出关 于板冲击强度的二进制表达，其直接并且可简单理解地说明，X射线管的板冲击 是否已经超过允许的度量还是尚在可接受的范围内并且由此作为误差原因排 除。

将光谱选择性的波动的绝对值为此优选地与对应的边界值比较。如果对于 多个测试频率确定光谱选择性的波动，则在此对于所有测试频率相同地选择作 为比较参数而引入的边界值。但是可选地，还可以引入取决于频率而改变的边 界值，其对于每个测试频率具有另一个值。只要至少对于测试频率，光谱选择 性的波动超过所属的边界值，则其被评价为对于不允许的强的板冲击的提示。 当光谱选择性的波动超过边界值时，旋转阳极的板冲击被识别为误差原因。

X射线管可以是经典的旋转阳极管，其中仅将旋转阳极在相对于围绕的空 间固定的活塞中旋转。替换的，管还可以是所谓的旋转活塞管，其中旋转阳极 抗扭地与活塞连接并且与活塞一起旋转。

本发明从如下思路出发：板冲击引起的误差不断导致X射线焦点的、也就 是X射线管中的X射线的形成点的波动性变化。已知焦点位移还导致位置的移 动，在该位置上X射线的中心射线射中探测器。这一点又经常地导致探测器上照 射关系的改变。

此外本发明还利用如下认识：由于阳极材料的旋转，板冲击引起的误差， 和由此伴随该误差的照射波动必须始终周期性地以旋转阳极频率或该频率的整 数倍出现。相反认识到，在与阳极旋转无关的误差原因中，与旋转阳极频率的 单倍或多倍相关的照射强度波动是不可能的。按照本发明利用该关系来识别板 冲击引起的干扰本身并且与其他误差原因区分。

利用按照本发明的方法，特别可以识别板冲击引起的干扰，无需为此凭怀 疑就更换X射线管。该方法的特别的优点还在于，该方法原则上可以利用通常的 计算机断层造影仪来进行，无需为此进行计算机断层造影仪的（特别是结构上 的）改变。

按照本发明的一种相对简单实现的、但同时有效的实施方式变形，作为对 于采集的照射强度的光谱选择性的波动的度量，引入在测试频率的情况下取决 于时间的照射强度的傅里叶变换。“在测试频率的情况下”的表达在此理解为非 特定的说明。为了最小化小的波动或实际的旋转阳极频率（相对于旋转阳极的 额定频率）的偏差对方法结果的负面影响，优选地将在测试频率附近在预先给 出的频率间隔内的傅里叶变换的最大值或积分作为对于光谱选择性的波动的度 量来分析。

对于该方法的计算简单并快速的自动化，替代精确的傅里叶变换，优选地 应用所谓的离散傅里叶变换或“快速傅里叶变换”（Fast Fourier Transform,简称 FFT）。

为了获得由于板冲击引起的焦点位移所造成的照射强度的特别明显的改 变，对于测试测量将从X射线管发射到探测器的X射线优选这样窄地准直，使得 探测器行或（在多行的探测器的情况下）至少一个探测器行至少短时地并且部 分地遮住。特别地，X射线在通常的计算机断层造影仪中合适地准直到2×1mm 的射线横截面上，其中按照常规的惯例该说明涉及包含了计算机断层造影仪的 同心轴的平面中的射线横截面。

按照本发明的优选扩展，同时在至少两个与射线路径近似对称布置的探测 器行中分开地时间分辨地采集照射强度。对于这两个探测器行采集的照射强度 在此被分开地进行傅里叶变换，其中作为对于光谱选择性的波动的度量，引入 在相应的测试频率的情况下得到的傅里叶变换的和信号和/或差信号。该方法变 形确保在识别由板冲击引起的误差的情况下更好的误差安全性，特别是因为根 据和信号或差信号，在两个探测器行中同相地出现的照射波动可以与反相的照 射波动相区别。这样当在两个探测器行中的照射强度仅反相地波动时，差信号 的绝对值等于和信号的绝对值，而当在两个探测器行中的照射波动仅是同相时， 差信号的绝对值近似为零。与此相关地，本发明从如下认识出发：在两个探测 器行中仅反相出现的照射波动可以由板冲击引起，特别是因为由于两个探测器 行中的一个的射线位移而“丢失的”照射强度必定是对于另一个探测器行有益 的。在两个探测器行中照射强度的同相的改变已知可以相反地推断出X射线的固 有的（并且由此非板冲击引起的）强度波动。

而在前面描述的方法变形中，对在两个探测器行中测量的照射强度分别互 相分开地进行傅里叶变换并且然后相加或相减，这两个步骤的顺序在另一个方 法变形中可以反过来。按照该方法变形，将在至少两个探测器行中分开地时间 分辨地采集的照射强度首先作为时间的函数相加和/或相减，其中然后对从中产 生的和信号或差信号分别进行傅里叶变换。在此作为对于照射强度的光谱选择 性的波动的度量引入在测试频率下和信号或差信号的傅里叶变换，由此又可以 将照射强度的同相的波动与照射强度的反相的波动区别。

原则上，测试测量可以在不动的计算机断层造影仪中进行。与常规的CT拍 摄不同，在测试测量中不一定将通过X射线管和探测器形成的图像链围绕计算机 断层造影仪的同心轴旋转。但是尽管如此，为了能够在尽可能接近运行的边界 条件下进行测试测量，在测试测量期间将X射线管和探测器优选围绕同心轴旋 转。

计算机断层造影仪在此包括（按照通常的方式）包括了旋转阳极的X射线 管，以及至少一行的、优选多行的探测器。计算机断层造影仪还包括误差识别 单元，其被构造为在电路技术和/或编程技术上自动执行前面描述的方法的变形。 误差识别单元特别是软件模块，其程序技术地执行前面描述的方法，并且其可 执行地安装到计算机断层造影仪的控制和分析计算机上。

附图说明

以下借助附图详细解释本发明的实施例。附图中：

图1按照示意性侧视图示出了具有旋转阳极X射线管、与其相对布置的X射 线探测器以及控制和分析计算机的计算机断层造影仪，

图2按照相对于图1进一步简化的侧视图示出了那里的计算机断层造影仪的 X射线管和探测器，

图3以简化的流程图示出了在按照图1的计算机断层造影仪中进行误差识别 的方法，

图4以随时间的线图示出了在测试测量期间在按照图1的探测器的一行中记 录的照射强度，

图5以随频率的线图示出了按照图4的照射强度的取决于时间的曲线的傅里 叶变换，并且

图6按照图3的图示示出了该方法的替换的实施方式。

互相相应的部件和参数在所有的附图中始终具有相同的附图标记。

具体实施方式

图1粗略示意地简单示出了计算机断层造影仪1，包括（X射线）管2以 及（X射线）探测器3。管2和探测器3互相相对地安装在（图1中仅象征性示 出的）机架4上，从而从管2发射的X射线R落在探测器3上。管2和探测器 3可以与机架4一起围绕在机架4的中心布置的同心轴5旋转。

计算机断层造影仪1此外还包括控制和分析计算机6以及电压产生器7。

管2（在通常的结构中）包括阴极8以及可围绕阳极轴9旋转的旋转阳极 10。在计算机断层造影仪1的运行中，借助电压产生器7在（加热的）阴极8 和旋转阳极10之间施加管电压U，在该管电压的作用下，电子束E从阴极8出 来并且相对于旋转阳极10被加速。在击中旋转阳极10的表面的情况下电子束E 通过与阳极材料的相互作用产生在探测器3的方向上发射的X射线R。X射线 R的射线横截面在此通过布置在X射线R的射线路径中的、在管2前面连接的 准直器11可变地限制。为了防止阳极材料的过热，旋转阳极10在管2的运行 期间以阳极（额定）频率f_A（图5）围绕阳极轴9旋转。阳极频率f_A通常为50Hz 和200Hz之间，例如大约150Hz。

在控制和分析计算机6中安装控制软件12，借助该控制软件，为了执行计 算机断层造影拍摄（简称：CT拍摄），可以控制计算机断层造影仪1的其他组 件。特别地，借助控制软件12可以控制用于向管2提供特定的管电压U和特定 的管电流I的电压产生器7。此外借助控制软件12可以控制用于位置分辨地采 集落在其上的（X射线）照射强度B的探测器3。最后借助控制软件12可以控 制机架4围绕同心轴5的旋转。

为了位置分辨地采集照射强度B，探测器3包括探测器单位（像素）的二 维布置。在示出的例子中，（本身未精确示出的）像素布置在两行（探测器）13a 和13b中。每行13a、13b包括多个基本上在机架4的切线方向上并排排列的像 素。这两行13a和13b在他那一侧以互相密集的间隔布置在同心轴5的方向上。 在计算机断层造影仪1的未受干扰的运行中，这样调节X射线R的与电子束E 在阳极表面上的射中点相同的焦点14，使得X射线R的中央射线Z在行13a 和13b之间中央地落在探测器表面上，从而这两行13a和13b的相邻的像素在 不存在定位于射线路径中的对象的情况下大约以相同的程度被照射。

如图2中结合虚线表示的，作为旋转阳极10的板冲击的结果，（其中在其 他情况下准直器11的设置和探测器3的布置相同）发生焦点14的短时位移。 从图2可以看出，焦点14的这样的位移导致探测器3上照射关系改变。在示出 的例子中作为焦点14位移的结果，例如仅照射探测器的行13a，而探测器3的 行13b完全遮蔽。

焦点14的由板冲击引起的位移由于阳极旋转而始终周期性地以阳极频率f_A或该频率的整数倍进行。该由板冲击引起的照射改变由此明显比在通常的CT 拍摄（该CT拍摄典型地以0.5Hz和3Hz之间的频率进行）期间机架的旋转更 快地进行。由板冲击引起的照射改变由此重叠于在CT拍摄的过程中拍摄的图像 信息上并由此导致在然后对拍摄的CT投影图像进行三维重建的情况下图像质 量的损害。

为了在不更换管2确定计算机断层造影仪的差的图像质量的情况下能够确 定，图像质量损害是否归因于管2的板冲击，计算机断层造影仪1包括（误差 识别）单元15。单元15是软件模块，其优选地作为控制软件12的组成部分在 控制和分析计算机6中可执行地实施，并且其在控制和分析计算机6中运行时 自动进行在图3中示意性示出的方法。

在该方法的过程中，单元15按照图3在第一（方法）步骤16中首先在这 两个探测器行13a或13b中的一个中进行照射强度B的测试测量。对于进一步 考察，例如假定，在测试测量的过程中，测量在行13a中的照射强度B。

对于测试测量，单元15首先这样控制准直器11，使得X射线R如图2所 示被准直到窄的射线束，其在探测器面积的区域中的射线横截面大约相应于行 13a或13b的宽度。在多于两行探测器3的情况下最佳地综合多行，使得在这些 行中分别测量的照射强度B被累积地（也就是总和地）采集。在这种情况下， 将X射线R优选相应地进一步准直，从而所有综合的探测器行至少被部分地照 射。在每种情况下将X射线R优选这样窄地准直，使得探测器行中的至少一个 （在测试测量期间测量该探测器行中的照射强度B）至少部分和短时地遮蔽。 在通常的计算机断层造影仪1中，射线横截面准直到2×1mm证明是具有优势的， 其中该信息在通常的规范中涉及在同心轴5的位置上的射线横截面。

通过X射线R的窄的准直确保，测量的照射强度B在X射线R位移的情 况下明显波动。对于测试测量，误差识别单元15使得机架4（类似于通常的CT 拍摄）围绕同心轴5旋转。

在探测器行13a中在测试测量期间测量的照射强度B的曲线（示意性粗略 简化地）在图4中示例性相对时间t示出。在图4中特别是可以看出测量的照射 强度B的以一定的周期性出现的波动。

测试测量按照惯例作为空测量进行。也就是在测试测量期间直接地，即， 在X射线R的射线路径中不存在对象的情况下，照射探测器3。

借助单元15从探测器3中读出取决于时间的照射强度B并且存储在控制和 分析计算机6的存储器中以用于进一步分析。

在该分析的过程中，误差识别单元15在（方法）步骤17中进行照射强度 B的所采集的取决于时间的曲线的光谱分析。该光谱分析为此对照射强度B进 行离散（快速）傅里叶变换。从该光谱分析得出的傅里叶变换F在图5中（同 样示意性并且粗略简化地）根据频率f示出。在示出的例子中，傅里叶变换F 在与阳极频率fA近似相应的频率的情况下具有清晰的和突出的最大值以及在两 倍和四倍阳极频率2·f_A和4·f_A的情况下具有更小的偏斜。

误差识别单元15此时确定在阳极频率f_A附近（也称为“模糊”的）频率 间隔Δf内傅里叶变换F的最大值并且将该参数作为频率选择性的波动F_F存储 在控制和分析计算机6的存储器中。

可选地，误差识别单元15以类似的方式还确定在两倍和/或四倍阳极频率 2·f_A和4·f_A附近的频率间隔中傅里叶变换F的最大值并且也将该值存储以用于 进一步分析。

在另一个（方法）步骤18中误差识别单元15检查，在阳极频率f_A下频率 选择性的波动F_F的存储的值是否超过预先给出的边界值F_G。如果是（Y），则单 元15在（方法）步骤19中在控制和分析计算机6的（未精确示出的）显示器 上输出对存在不允许的强的板冲击的提示。否则（N），单元15在（方法）步骤 20中在显示器上输出如下提示：没有识别到不允许的强的板冲击，并且相应地 尚不必更换管2。

如果在该方法的过程中也对于双倍和/或四倍阳极频率2·f_A和4·f_A确定了 频率选择性的波动F_F，则单元15在步骤18中也将频率选择性的波动F_F对于该 其他测试频率与边界值F_G比较。在此可以可选地频率选择性地预先给出边界值 F_G，即，对于每个测试频率分别具有不同的匹配的值。

当此时对于多个测试频率中的一个，频率选择性的波动F_F超过了所属的边 界值F_G时，单元15在此在步骤19中就已经输出不允许的高的板冲击的提示。 否则，其按照步骤20输出提示：没有能够发现由板冲击引起的误差。

在一种改良的方法变形中（在图6中示意性简化示出了其流程），误差识别 单元15在步骤16中采集在两个探测器行13a和13b中的照射强度B，其中各 自的照射强度B的时间曲线分别互相分开地存储在控制和分析计算机6的存储 器中。在步骤17中，单元15分别分开地形成在两行13a和13b中分别采集的 照射强度B的傅里叶变换F。在接下来的（方法）步骤21中单元15根据傅里 叶变换F计算和信号以及差信号

S(f)=|FT{B₁(t)}|+|FT{B₂(t)}|或   等式1

D(f)=|FT{B₁(t)}-FT{B₂(t)}|，等式2

其中，S（f）表示（取决于频率的）和信号并且D（f）表示（取决于频率 的）差信号。在等式1和2中的B₁（t）和B₂（t）表示在行13a和13b中测量 的（取决于时间的）照射强度B。运算符FT{}表示傅里叶变换。

在按照图6的方法变形中，单元15在接下来的步骤18中根据对和信号和 差信号的比较的分析判断存在不允许的强的板冲击（步骤19）还是尚允许的板 冲击（步骤20）。对于该分析，利用知识：在纯粹由板冲击引起的干扰的情况 下和信号和差信号在阳极频率f_A下必须具有大约相同的值，

S(f)=D(F)，   等式3

因为在这种情况下在这两个探测器行13a和13b中预计会出现照射强度B的纯 反相的波动。相反地，对于在两个行13a和13b中照射强度B的（不是归因于 板冲击的）同相改变，差信号在旋转阳极频率下必须近似为零，而和信号必须 具有超过零的值：

D(f)=0;S(f)>0        等式4

对于对和信号和差信号的比较的分析，单元15特别地将差信号与和信号的 比例，即，D(f)/S(f)，与（位于值零和一之间的）边界值比较并且当该比例低于 边界值时识别到存在不允许的高的板冲击（步骤19）。

在此可选地，单元15，特别是在尚允许的板冲击的情况下（步骤20），输 出根据差信号与和信号的比例推导的关于板冲击的强度的定量信息。

在另一种方法变形中，在两行13a和13b中采集的照射强度B在时域中相 加和相减，其中从得到的差信号和和信号形成比例：

$V\left(t\right)=k·\frac{B_2\left(t\right)-B_1\left(t\right)}{B_2\left(t\right)+B_1\left(t\right)}$                                 等式5

比例系数k在此按照如下

k=k₁·k₂·k₃               等式6

从三个部分综合得到，其中

-k₁是按照微米为单位的取决于行宽度的线性系数（例如k₁=1200μm），

-k₂是覆盖系数，其取决于按百分比的准直器-行-重叠（在正常运行中是k₂=100%），并且

-k₃是投影系数，其说明了在准直器和探测器之间射线横截面的放大，并且 其一方面从在探测器3和准直器11之间的间隔、另一方面在准直器11和旋转 阳极3之间的间隔的商得出。

作为对于板冲击的强度的定量度量，在此由单元15引入参数，

$C=\underset{f_A-f_1}{\overset{f_A+f_2}{\int }}\left|\mathrm{FT}\right\{V\left(t\right)\left\}\right|\mathrm{df}$                                 等式7

其中，f₂-f₁说明了实际的阳极旋转频率的带宽。

前面描述的方法也可以推广到n通道的（n=3,4，...）探测器3。在这种情 况下此时优选考虑在边界的行中各自的照射强度B，从而得出比例V（t）：

$V\left(t\right)=k·\frac{B_n\left(t\right)-B_1\left(t\right)}{B_n\left(t\right)+B_1\left(t\right)}$    等式8

还可以在计算机断层造影仪1的临床的正常运行中使用前面描述的方法， 来检查焦点位置。